青青少年心肺耐力测试方法的研究

叶心明,尹小俭,季 浏,刘 笑

(1.华东理工大学体育与工程学院,上海 200237；2.“青少年健康评价与运动干预”教育部重点实验室,上海 200241；3.华东师范大学体育与健康学院,上海 200241)

青青少年心肺耐力测试方法的研究

叶心明1,尹小俭2,3,季 浏2,3,刘 笑3

(1.华东理工大学体育与工程学院,上海 200237；2.“青少年健康评价与运动干预”教育部重点实验室,上海 200241；3.华东师范大学体育与健康学院,上海 200241)

目的:分析和探讨1000(800)米跑和20mSRT对测量青少年心肺耐力的测试效度,为有效地制定评价青少年心肺耐力的测试方法提供参考依据。方法:随机抽取上海市A中学13-15岁共61名(男29名,女32名)初中学生作为研究对象,运用ROC曲线,多重线性回归等方法分析和探讨1000(800)米跑,20mSRT和跑台测试法直接测得的VO2max之间的相互关系。结果与结论: (1)1000米跑,20mSRT与跑台直接测试法测得的VO2max的相关系数男生分别为0.440和0.468,女生(800米跑)为0.513和0.765;在测量青少年心肺耐力方面,20mSRT优于1000米(男生)跑和800米(女生)跑。(2)以跑台测试所得的VO2max为金标准,男生1000米跑,20mSRT所测得VO2max的ROC曲线下面积分别为0.571和0.688,女生800米跑,20mSRT的面积分别为0.523和0.661;(3)VO2max与20mSRT次数之间的回归方程式:VO2max=115.54356-(1.93803×年龄)-(7.13359×性别)-(1.86024× BMI)-(0.065772×N)(男生为0,女生为1,N为20mSRT次数),方程式与VO2max的相关系数为0.713。

VO2max;20mSRT;1000(800)米跑;跑台测试

心肺耐力综合反映儿童青少年摄取、转运和利用氧的能力,它与心脏泵血功能、肺通气换气功能、血液循环系统携带氧气的能力以及肌肉等外周组织利用氧能力相关,是儿童体质健康各组成部分的核心要素[1-3]。心肺耐力的主要指标包括:最大摄氧量(VO2max)、运动经济性、最大摄氧量的速度、乳酸/换气阈值和摄氧量动力学等。在众多指标中VO2max是许多研究者用于研究评定心肺耐力的可靠校标[4-6]。诸多研究表明,我国现行测量儿童青少年心肺耐力的方法,男1 000米,女800米跑和台阶试验在评价儿童青少年心肺耐力(主要为VO2max)的准确性方面存在较大的争议。王人卫等[7]的论文中提到1967年Honbonko研究表明,5 000m-10 000m的成绩与VO2max的相关系数为0.79-0.82,而800m-1500m项目中相关系数为0.47-0.48,100m-400m的项目中相关系数为0.05 -0.14。周志雄等[8]对87名(男44,女43)年龄在20岁左右的大学生的调查研究表明,VO2max与台阶试验和800m、1 000m跑成绩之间无显著相关性。目前加拿大、日本和欧洲的一些国家都采用20mSRT(20米往返跑)来评价心肺耐力,且许多研究表明20mSRT与VO2max存在显著的相关性[9-15]。John等[16]对63名年龄在12岁的正常儿童采用功率自行车和20mSRT进行VO2max测试时,发现两者的测量结果具有高度的相关性,女生相关系数为0.78,男生为0.73。Matthew等[17]对244名10-16岁的儿童青少年的调查(174名的学生参与20mSRT测试,70名的学生进行20mSRT及1公里跑测试)结果发现两者具有高度的相关性,相关系数为0.75,该研究指出20mSRT可以作为心肺耐力的评定方法。翟水保等[18]研究了台阶试验和耐力跑(女800米、男1 000米)对心肺耐力的测试效度,得出台阶试验与功率自行车所测得的VO2max男女生的相关系数分别为0.337,0.304,耐力跑成绩与功率自行车的相关系数分别为-0.417,-0.409,该研究指出耐力跑比台阶试验更能有效的反应学生的心肺耐力。综上所述,1 000(800)米跑等对于评价儿童青少年心肺耐力的效度方面存在较大的争议。因此本研究将以上海市A中学的学生为研究对象,试图分析和探讨1 000(800)米跑、20mSRT对测量和评价青少年学生心肺耐力(VO2max)的测试效度,从而为今后有效地制定评价青少年心肺耐力的测试方法提供参考依据。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象

上海市A中学13-15岁的61名(男生29名,女生32名)中学生。在2013年10-12月期间,分别测试800米跑(女),1 000米跑(男)、20mSRT(20米往返跑)和跑台测试的最大摄氧量等指标。每位受试者测试前均进行常规的身体检查并询问受试者身体状况,排除身体状况不佳者。

1.2 研究方法

1.2.1 测试方法

跑台测试方案结合受试者的实际年龄和运动能力,采用的运动方案如下:饭后2.5小时后采用递增负荷的方式,运用意大利COSMED公司生产的Quark K4b2运动心肺遥测仪及呼吸面罩直接收集气体。

20mSRT测验使用由日本文部科学省所采用的测试音乐,佩带Quark K4b2运动心肺遥测仪及呼吸面罩直接收集气体并分析。20mSRT是由慢到快的往返跑,跑步节奏完全由音乐节奏控制,每过1 min节奏加快一挡,当被测者踏不上节点,并不能到达限定距离之时(连续两次不能到达),测试即结束(每跑一次记录一次)。

1 000(800)米跑测试在200米的操场上进行,受试者佩带Quark K4b2运动心肺遥测仪及呼吸面罩直接收集气体并分析。肺活量的测量采用日本美能公司生产的AS-507肺功能仪。FVC为用力肺活量,FEV1为一秒钟用力呼气容积。FEV1%=FEV1/FVC,大于或等与85%为正常值[19]。

1.2.2 统计方法

本研究以跑台测试所测得的VO2max作为基准(金标准),运用ROC曲线法[20]分别计算出1 000 (800)米跑和20mSRT所测得的VO2max下的敏感度和特异度,通过比较ROC曲线面积的大小,判断这两种方法中的哪一种方法更能准确测量青少年学生的VO2max,亦即心肺耐力。本研究ROC曲线的分组如下:按照中国人VO2max评价表[21],将1 000(800)米跑、20mSRT和跑台测得的VO2max,男生大于或者等于51.0 ml·kg-1·min-1者定义为优秀组,小于51.0 ml·kg-1·min-1的为中等组两组;女生大于或者等于39.0 ml·kg-1·min-1的为优秀组,小于39.0 ml· kg-1·min-1的为中等组两组。本研究以年龄、性别、BMI、性别×年龄、20mSRT次数和最后跑台持续速度为自变量,运用多重回归分析建立VO2max回归模型。

数据分析采用SPSS 18.0,以P＜0.05表示具有显著性差异;P＜0.01表示具有非常显著性差异。

表1 男生身高、体重、BMI和肺活量水平(Mean±SD)

表2 女生身高、体重、BMI水平和肺活量水平(Mean±SD)

2 研究结果

2.1 受试者体格和肺活量

从表1-2中可以看出,从肺活量测试来看13岁男生的FVC和FEV1的平均值,分别为3.36L和3.22L,高于14-15岁男生;13-14岁女生的FVC值相同均为2.64L,FEV1最高的为14岁的2.51L。FEV1/FVC无论男生还是女生均在90%以上,说明该群体学生肺活量水平处于较好状态。

2.2 1 000(800)米跑,20mSRT和跑台测试结果

表3-4显示,1 000(800)米跑所测得的最大摄氧量略微高于20mSRT和跑台所测得的VO2max,但差异不存在统计学意义。女生20mSRT的VO2peak显著低于跑台所测得的VO2peak,差异具有统计学意义(P＜0.05)。

表3 最高心率、峰值摄氧量和最大摄氧量(男生,n=29)

表4 最高心率、峰值摄氧量和最大摄氧量(女生,n=32)

2.3 1 000(800)米跑,20mSRT与跑台各指标的相关系数

从表5中可以看出,男生1 000米跑测得的VO2peak与跑台测得的VO2peak的相关系数为0.301,无统计学意义(P＞0.05),20mSRT测得的VO2peak与跑台测得的VO2peak的相关系数为0.596,具有统计学意义(P＜0.001)。1 000米跑和20mSRT测得的VO2max与跑台测得的VO2max得相关系数分别为0.440和0.468,两者均具有统计学意义(P＜0.05)。

表5 1 000米跑,20mSRT与跑台各指标的相关系数(男生,n=29)

从表6中可以得出,女生800米跑测得的VO2peak与跑台测得的VO2peak的相关系数为0.288,不具有统计学意义(P＞0.05),20mSRT测得的VO2peak与跑台测得的VO2peak的相关系数为0.693,具有统计学意义(P＜0.001)。800米跑和20mSRT测得的VO2max与跑台测得的VO2max得相关系数分别为0.513和0.765,两者都具有统计学意义(P＜0.05)。女生20mSRT测得的VO2max与跑台测得的VO2max相关系数高于男生。

表6 800米跑,20mSRT与跑台各指标的相关系数(女生,n=32)

2.4 1 000(800)跑和20米往返跑测量V02max的敏感度、特异度及ROC曲线面积(跑台V02max为金标准)

从表7可以看出,男生1 000米跑预测VO2max的ROC曲线下面积为0.571,敏感度为0.623,特异度为0.519;20mSRT预测VO2max的ROC曲线下面积为0.688,敏感度为0.643,特异度为0.733。由于20mSRT测量VO2max的ROC曲线下面积大于1 000米跑预测VO2max的ROC曲线下的面积,说明男生20mSRT测量VO2max效果要好于1 000米跑测量VO2max。

表7 1 000米跑和20mSRT测量VO2max的敏感度、特异度和ROC曲线面积(男)

从表8可以看出,女生800米跑测量VO2max的ROC曲线下的面积为0.523,敏感度为0.225,特异度为0.821;20mSRT测量VO2max ROC曲线下的面积为0.661,敏感度为0.503,特异度为0.819。20mSRT判断女生VO2max的ROC曲线下面积大于800米跑,说明女生20mSRT测量VO2max效果要好于800米跑测量VO2max。

表8 800米跑和20mSRT测量VO2max的敏感度、特异度及ROC曲线面积(女)

2.5 多重线性回归模型的最大摄氧量值

以年龄、性别、BMI、性别×年龄、20mSRT次数和最后跑台持续速度为自变量,运用多重回归分析建立VO2max回归模型。根据分析所得回归方程分别如下:

模型1:VO2max=109.36992-(1.83710×age)-(6.22228×gender)-(1.77706×BMI)

模型2:VO2max=115.54356-(1.93803×age)-(7.13359×gender)-(1.86024×BMI)+(0.065772 ×N)

模型3:VO2max=119.68120-(1.84877×age)-(6.57552×gender)-(1.79763×BMI)-(0.32485× speed)

模型4:VO2max=86.55557-(1.79087×BMI)-(0.49858×gender×age)-(0.05002×N)

各方程式中性别“0”为男生,“1”为女生,年龄为实足年龄,N为20mSRT次数,speed为最后跑台持续速度。在四个方程式中模型2的相关系数最高为0. 713,通过交叉验证等方法评定后,本研究推荐模型2方程式最适用于估计评价青少年学生的VO2max。

3 分析与讨论

3.1 1 000(800)跑和20mSRT对判断青少年VO2max的分析

本研究男生20mSRT和跑台测得的VO2max值的相关系数为0.468,女生的相关系数为0.765。这与Jackson[11]对63名儿童进行功率自行车和20mSRT测试VO2max的结果,女生相关系数0.78,男生为0.73相比,男生较低,而女生的相关系数则非常接近。卢鹏涛[22]对大学男生1 000米跑,2400米跑和女生800米跑,2 000米跑测试(男女生均直接测量VO2max),结果表明男生采用2400米跑和女生采用2 000米跑对评价大学生的心肺耐力功能更加合理,并指出长距离的耐力跑比短距离的耐力跑更能真实客观的评价受试者的心肺耐力水平。研究表明[23-24]测试受试者的心肺耐力水平时,测试的持续时间需要在5分钟以上,5分钟以下则不适合评价受试者的心肺耐力水平。我国现行的对于儿童青少年的心肺耐力水平的评价指标为女生800米跑和男生1 000米跑中,男生1 000米跑最快成绩13岁为256.92秒,最慢15岁为269.58秒;女生800米跑成绩13岁最快为229.53秒,最慢15岁为242.04秒。由此可以看出,男女生的1 000米和800米跑的测试成绩均低于5分钟,这将不利于测量青少年学生的心肺耐力测试水平。20mSRT男生13岁跑的次数最多为50.17次,15岁为47.00次,相当于跑了6分30秒左右,女生跑13、14和15岁分别跑了36.63次、35次、36.29次,相当于跑了5分钟左右。在跑台的测试中,男生13、14和15岁的测试时间分别为8.71分、7.04分和7.86分,女生13、14和15岁的测试时间分别为6.0分、5.33分和5.43分。不管男生还是女生跑台上的测试时间均高于5分钟。由此可以推测20mSRT所测得VO2max与跑台直接法测得的VO2max的相关系数要高于1 000米和800米跑的原因。但如前所述,部分学者的研究表示20mSRT与VO2max之间的相关系数在0.7以上,有的甚至达到0.9,而本研究的相关系数相对偏低(特别是男生),这可能与本研究样本量相对较少有关,今后仍需加大样本量进一步验证该结果。本研究以跑台金标准为基准,20mSRT判断男生VO2max的ROC曲线面积为0.688,1 000米跑判断VO2max的ROC曲线面积则为0.571,说明在本研究中,20mSRT判断初中男生VO2max效果要好于1 000米判断VO2max。同样女生20mSRT判断初中女生VO2max的ROC曲线面积为0.661,大于800米跑判断VO2max的ROC曲线面积0.523,说明在本研究中,20mSRT判断女生VO2max效果要好于800米判断VO2max。

综上所述,本研究中20mSRT判断青少年学生VO2max的效果要好于1 000(800)米跑。VO2max测试的是人体心肺耐力的功能,对于VO2max的测量要求测试方法应该是一项运动强度逐渐增加的项目。1 000(800)米跑测试是固定距离,以时间的快慢来评价受试者成绩的项目。在测试过程中受试者为追求成绩在运动刚开始就全力以赴,因此在整个运动中受试者并非按照逐渐增加运动强度的方式进行测试。20mSRT的运动有音乐节奏来控制受试者的运动速度与强度,每个水平的速度是由慢到快增加,这与跑台直接测量法测量VO2max的运动方式相似,也符合VO2max测试的运动轨迹,这可能是产生本结果的一个重要原因。

3.2 多重线性回归模型推测VO2max的分析

有关VO2max的推算公式的研究,Leger et al[25]建立的VO2max的模型为VO2max=31.025+3.238 ×持续运动的最大速度(speed)-3.248×age+ 0.1536×speed×age;Mahar et al[26]建立的VO2max的模型为VO2max=50.945+0.126×20米往返跑次数+4.946×性别(男为1,女为0)-0.655×BMI;Barnett et al[27]建立的VO2max模型为VO2max=25.8-6.6×性别(0为男,1为女)-0.2×BM(BM肌肉含量kg)+3.2×speed和VO2max=24.2-5.0×性别(0为男,1为女)-0.8×age+3.4×speed;Matsuzaka et al[17]模型为VO2max=61.1-2.20×性别(0为男,1为女)-0.862×BMI-0.462×age+0.192×20米往返跑次数。由此可以看出,各国在针对VO2max选取的推算公式中,自变量普遍选取年龄、性别、BMI、20米往返跑次数、最后跑台的持续速度和肌肉含量等。本研究基于以上的研究选取了年龄、性别、BMI、性别×年龄、20mSRT次数和最后跑台次数作为青少年学生VO2max推算公式的自变量。模型1的回归模型与VO2max的相关系数为0.708,决定系数为0.502;模型2的回归模型与VO2max之间的相关系数为0.713,决定系数为0.509;模型3的回归模型与VO2max之间的相关系数为0.709,决定系数为0.503;模型4的回归模型与VO2max之间的相关系数为0.686,决定系数为0.417。通过相关系数比较,回归模型式与VO2max相关系数最高的为模型2相关系数达到0.713,其次为模型3相关系数为0.709。通过决定系数的比较,模型2的决定系数最高为0.509,其次为模型3的决定系数为0.503。通过对比各个模型与VO2max的相关系数和决定系数,推荐本研究VO2max的回归方程为,以年龄、性别、BMI和20mSRT次数为自变量的模型2,其回归方程为VO2max=115.54356-1.93803×age-7.1335×gender-1.86024×BMI-0.065772×N(男生为0,女生为1,N为20mSRT次数)。

本研究通过交叉验证采用T检验的方法,验证了4组模型的可行性。通过验证,模型3所推测的VO2max与实际跑台测得的VO2max存在非常显著的差异P＜0.01,交叉验证组与实际跑台测得的VO2max为47.81 ml·kg-1·min-1,模型3所推测的VO2max为55.88 ml·kg-1·min-1,实际跑台测得的VO2max比模型3所推测的VO2max低8.07 ml·kg-1·min-1。模型1所推测的VO2max比实际跑台测得的VO2max高1.48 ml·kg-1·min-1。模型2所推测的VO2max比实际跑台测得的VO2max高1.51ml·kg-1·min-1。模型4所推测的VO2max比实际跑台测得的VO2max高1.21ml·kg-1·min-1。如上所述运用Mahar和Matsuzaka方程式所推测的VO2max比实际跑台测得的VO2max分别低0.42 ml·kg-1·min-1和1.4 ml· kg-1·min-1,该推算公式与直接法测得的VO2max之间的相关系数为0.75,决定系数为0.56。这与本研究运用相同的自变量建立VO2max回归模型2,所得的VO2max推算值与直接法测得的VO2max之间的相关系数为0.699,决定系数为0.488的结果非常接近。目前关于VO2max的推算公式的研究均将20mSRT次数作为建立回归模型的一个重要的自变量,其他自变量,如BMI、年龄和性别等各项指标同时均与VO2max存在较高的相关性。本研究通过综合模型的相关系数和决定系数以及交叉验证组对VO2max推算的准确性高低程度,建议将模型2定义为13-15岁儿童青少年VO2max的推算公式。但由于本文实验对象相对较少,因此该推算公式的可行性和准确性仍需要在今后的实证研究中进一步加以考证。

4 结论

本研究随机抽取了上海市A中学13-15岁61名(男29名,女32名)初中学生作为研究对象,运用ROC曲线,多重线性回归等方法分析和探讨了1 000 (800)米跑,20mSRT和跑台直接法测得的VO2max之间的相互关系.通过研究得到以下结论:

(1)在测量初中生心肺耐力方面,20mSRT优于1 000米(男生)和800米(女生)跑。

(2)13-15岁儿童青少年的最大摄氧量的预测方程为:VO2max=115.54356-(1.93803×Age)-(7.13359×Gender)-(1.86024×BMI)+(0.065772 ×N)(注:性别男生为0,女生为1,N=20mSRT次数)。

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Testing M ethods of Adolescents'Cardiorespiratory Fitness

YE Xinming,et al
(School of Sports Science and Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai200237)

Objective:This study attempts to investigate the measurement of the validation of cardiorespiratory fitness through 1000(800)-running test and 20mSRT in order to provide reference for the future development of the test method of evaluating cardiorespiratory fitness of children and adolescents effectively.Method:61 students(29males and 32 females)are randomly selected as research objects from middle schools in Shanghai to analyze the relevance of different VO2max from 1000(800)-meter running test,20mSRT and treadmill test respectively by using ROC and multiple linear regression analysis.Results and Conclusion:(1)The correlation coefficient of VO2max from 1000-meter running test(male)and 20mSRT is0.440 and 0.468 respectively while that of800-meter running test(female)and 20mSRT is 0.513 and 0.765 respectively.20mSRT is better than 1000(800)-running test in terms ofmeasuring the cardiorespiratory fitness.(2)Taking the VO2max from treadmill test as standard,the area under ROC curve from 1000-meter running test(male)and 20mSRT is 0.571 and 0.688 respectively while that of800-meter running test(female)and 20mSRT is 0.523 and 0.661 respectively.(3)The regression equation between VO2max and 20mSRT number:VO2max =115.54356-(1.93803×age)-(7.13359 x Gender)-(1.86024 x BMI)+(0.065772 x N)(male=0,female=1,N=the number of 20mSRT),correlation coefficient equation and the VO2max is 0.713.

VO2max;20mSRT;1000(800)-meter run;treadmill test

G804.49

:A

:1001-9154(2014)12-0073-06

G804.49

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上海市青少年POWER工程协同创新中心项目(44801400)。

叶心明(1972-),男,江西九江人,副教授,硕士,硕士生导师,研究方向:体育教育。

2014-09-22